镜面辅助的地面三维激光扫描研究

Integrity, which is the basic requirement for terrestrial laser scanning data acquisition, is considered as the most important property in the applications like cultural heritage digital archive, which makes data authenticity as a top priority. In practical work, however, due to the limitations of space and the serious occlusion, data cannot be completely acquired and thus bind spot and blind angle exist. To tackle this issue, this project proposes a mirror aided laser scanning method, which works on the influencing mechanism for the mirror to the laser beam, the strict calibration of mirror and high precision parametric expression method, mirror detection in point cloud and 3D position calculating method, multiple mirrors cooperating strategies, point cloud real coordinates and intensity calculating method, as well as the validity of the whole approach and precision evaluation. To conclude, this project provides complete theoretical support and practical technical methods for the integrity of laser scanning data acquisition.

完整性是地面三维激光扫描数据获取的基本要求，在文化遗产数字化存档这类以数据真实性为首要任务的应用中尤为重要。但实际工作中，往往因作业空间受限、遮挡严重等问题造成扫描的盲区和死角，从而导致数据获取不全的问题。对此，本项目提出利用镜面辅助激光扫描的思想，研究镜面对激光光束及激光扫描性能的影响机理、镜面的严格检校及高精度参数化表达方法、激光点云中镜面的检测与三维空间位置解算方法、多镜面协同辅助策略、激光点云真实坐标及强度解算方法，以及方法验证与精度评价等内容，为复杂场景中激光扫描数据获取的完整性提供完备的理论支撑和实用的技术方法。

完整性是地面三维激光扫描数据获取的基本要求，在文化遗产数字化存档这类以数据真实性和完备性为首要任务的应用中尤为重要。然而，对于石窟寺、古建筑等类型的不可移动文物来说，由于文物位置固定，存在许多作业空间受限、遮挡等情况，造成了获取完整数据困难，从而导致数据获取死角和空洞。.本课题提出利用镜面辅助激光扫描的思路，将体积小巧、曲率各异的镜面布设在数据获取对象周边进行辅助，激光光线经镜面反射后与被测对象通视，不仅可以大大减小数据获取盲区和死角，还可以减少架站次数以降低数据冗余，及优化入射角度以提高数据采集精度。课题研究主要内容和结果如下：.（1）镜面对激光光束及激光扫描分辨率与精度的影响机理研究。研究了不同材质、不同镜面形状、不同曲率、不同定位标靶形态的镜面系统的设计、组成，并通过实验，建立了镜面辅助激光扫描光束、分辨率与精度影响机理模型。.（2）镜面的严格检校及高精度参数化表达。研究了直接法和间接法对平面镜与曲面镜组成的镜面系统检校与参数化表达方法，为反射区域激光点云真实位置解算提供支撑。.（3）多镜面协同策略。研究了多个镜面系统协同辅助激光扫描数据采集，提出了利用多平面镜系统和多曲面镜系统进行完备数据采集的策略。.（4）激光点云中镜面检测与镜面三维空间位置解算。提出了基于局部切面投影的球标靶自动提取方法和基于梯度极大偏移的圆标靶识别与提取方法；建立了镜面系统空间位置高精度解算模型。.（5）激光点云真实坐标及强度解算。提出了平面镜镜面系统辅助下激光扫描经由玻璃折射、反射后的真实点坐标解算方法；研究了曲面镜辅助激光扫描强度检校模型，并提出了基于表面法向对称的曲面镜辅助激光点云真实坐标解算方法。.本课题属于原始创新性研究，构筑了镜面辅助激光扫描理论，开创了利用镜面改变激光测距方向的测量方法，填补了文化遗产数字化保护中狭小空间数字化采集的技术空白。本课题装置和方法已经在敦煌莫高窟数字化保护工程中得到了应用。